MCS單片機(jī)應(yīng)系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計方案

1、第7章MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計主要內(nèi)容：從總體設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、可靠性設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試與測試等幾個 方面介紹了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的方法及基本過程，并給出了典型設(shè)計實(shí)例，同時還簡單 介紹了C51編程方法和Keil C51開發(fā)系統(tǒng)。重點(diǎn)在于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的方法與實(shí)際應(yīng) 用，難點(diǎn)在于將單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的方法應(yīng)用于實(shí)際工程中，設(shè)計出最優(yōu)的單片機(jī)應(yīng)用 系統(tǒng)。7.1概述由于單片機(jī)具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)、可靠性高、實(shí)時性強(qiáng)、簡單易學(xué)、使用方 便靈巧、易于維護(hù)和操作、性能價格比高、易于推廣應(yīng)用、可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)特點(diǎn)。 因此，單片機(jī)在自動化裝置、智能儀表、家用電器，乃至數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控

2、制、計算機(jī)通 信、汽車電子、機(jī)器人等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)當(dāng)考慮其主要技術(shù)性能（速度精度功耗可靠性驅(qū)動能力等），還應(yīng)當(dāng)考慮功能需求，應(yīng)用需求，開發(fā)條件，市場情況，可靠性需求，成本需求， 盡量以軟件代替硬件等。下圖描述了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的一般過程。加工、俎裟樣機(jī)理）和6訐、烈井我杵聲試f7.2 MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計7.2.1總體設(shè)計聯(lián)機(jī)苗比試-醐試邯機(jī)鎖件調(diào)整樣機(jī)謨件詛整足杵、桂議軟杵if怙山運(yùn)fjH標(biāo)榨用N洞擅班忡.惓改軟杵Mf錯訓(xùn)宵FY拎侑也障廉1*1N1明確設(shè)計任務(wù)認(rèn)真進(jìn)行目標(biāo)分析，根據(jù)應(yīng)用場合、工作環(huán)境、具體用途，考慮系統(tǒng)的可靠性、通用性、可維護(hù)性、先

3、進(jìn)性，以及成本等，提出合理的、詳盡的功能技術(shù)指標(biāo)。2器件選擇（1）單片機(jī)選擇 主要從性能指標(biāo)如字長、主頻、尋址能力、指令系統(tǒng)、內(nèi)部寄存器狀況、存儲器容 量、有無A/D、D/A通道、功耗、價能比等方面進(jìn)行選擇。對于一般的測控系統(tǒng)，選擇 機(jī)即能滿足要求。（2）外圍器件的選擇 外圍器件應(yīng)符合系統(tǒng)的精度、速度和可靠性、功耗、抗干擾等方面的要求。應(yīng)考慮功耗、電壓、溫度、價格、封裝形式等其他方面的指標(biāo)，應(yīng)盡可能選擇標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、功 能強(qiáng)、集成度高的典型電路。3總體設(shè)計 總體設(shè)計就是根據(jù)設(shè)計任務(wù)、指標(biāo)要求和給定條件，設(shè)計出符合現(xiàn)場條件的軟、硬件 方案。并進(jìn)行方案優(yōu)化。應(yīng)劃分硬件、軟件任務(wù)，畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

4、。要合理分配系統(tǒng)內(nèi) 部的硬件、軟件資源。包括以下幾個方面：（1）從系統(tǒng)功能需求出發(fā)設(shè)計功能模塊。包括顯示器、鍵盤、數(shù)據(jù)采集、檢測、通 信、控制、驅(qū)動、供電方式等（2）從系統(tǒng)應(yīng)用需求分配元器件資源。包括定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、串行口、接口、A/D、D/A、信號調(diào)理、時鐘發(fā)生器等。（3）從開發(fā)條件與市場情況出發(fā)選擇元器件。包括仿真器、編程器、元器件、語言、 程序設(shè)計的簡易等。（4）從系統(tǒng)可靠性需求確定系統(tǒng)設(shè)計工藝。包括去耦、光隔、屏蔽、印制板、低功 耗、散熱、傳輸距離/速度、節(jié)電方式、掉電保護(hù)、軟件措施等。7.2.2硬件設(shè)計 由總體設(shè)計所給出的硬件框圖所規(guī)定的硬件功能， 在確定單片機(jī)類型的基礎(chǔ)上

5、進(jìn)行硬 件設(shè)計、實(shí)驗。進(jìn)行必要的工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計，制作出印刷電路板，組裝后即完成了硬件設(shè) 計。一個單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計包含系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)的配置（按照系統(tǒng)功能要求配置 外圍設(shè)備）兩部分。1硬件電路設(shè)計的一般原則（1）采用新技術(shù)，注意通用性，選擇典型電路。（2） 向片上系統(tǒng)（SOC方向發(fā)展。擴(kuò)展接口盡可能采用PSD等器件。（3） 注重標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。8位I/O(4) 滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當(dāng)余地，以便進(jìn)行二次開發(fā)。(5) 工藝設(shè)計時要考慮安裝、調(diào)試、維修的方便。2硬件電路各模塊設(shè)計的原則單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如下圖所示。各模塊電路設(shè)計時應(yīng)考慮以下幾個方面：(1)存儲器擴(kuò)展：類型、容量、

6、速度和接口，盡量減少芯片的數(shù)量。(2)I/O接口的擴(kuò)展：體積、價格、負(fù)載能力、功能，合適的地址譯碼方法。(3)輸入通道的設(shè)計：開關(guān)量(接口形式、電壓等級、隔離方式、擴(kuò)展接口等)，模擬輸入通道(信號檢測、信號傳輸、隔離、信號處理、A/D、擴(kuò)展接口、速度、精度和價格等)。(4)輸出通道的設(shè)計：開關(guān)量(功率、控制方式等)，模擬量輸出通道(輸出信號的 形式、D/A、隔離方式、擴(kuò)展接口等)(5)人機(jī)界面的設(shè)計：鍵盤、開關(guān)、撥碼盤、啟/停操作、復(fù)位、顯示器、打印、指 示、報警、擴(kuò)展接口等。(6)通信電路的設(shè)計：根據(jù)需要選擇RS-232C RS-485、 紅外收發(fā)等通信標(biāo)準(zhǔn)。(7)印刷電路板的設(shè)計與制作：專

7、業(yè)設(shè)計軟件(Protel,OrCAD等)、設(shè)計、專業(yè) 化制作廠家、安裝元件、調(diào)試等。(8)負(fù)載容限：總線驅(qū)動。(9)信號邏輯電平兼容性：電平兼容和轉(zhuǎn)換。(10)電源系統(tǒng)的配置：電源的組數(shù)、輸出功率、抗干擾。(11)抗干擾的實(shí)施：芯片、器件選擇、去耦濾波、印刷電路板布線、通道隔離等。7.2.3軟件設(shè)計軟件設(shè)計流程圖如下圖所示?？煞譃橐韵聨讉€方面。單片機(jī)1.總體規(guī)劃結(jié)合硬件結(jié)構(gòu)，明確軟件任務(wù)，確定具體實(shí)施的方法，合理分配資源。定義輸入 出、確定信息交換的方式(數(shù)據(jù)速率、數(shù)據(jù)格式、校驗方法、狀態(tài)信號等)、時間要求， 檢查與糾正錯誤。2.程序設(shè)計技術(shù)軟件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化，各功能程序?qū)嵭心K化、子程序化。

8、一般有以下兩種設(shè)計方法：(1)模塊程序設(shè)計：優(yōu)點(diǎn)是單個功能明確的程序模塊的設(shè)計和調(diào)試比較方便，容易完 成，一個模塊可以為多個程序所共享。其缺點(diǎn)是各個模塊的連接有時有一定難度。(2)自頂向下的程序設(shè)計：優(yōu)點(diǎn)是比較符合于人們的日常思維，設(shè)計、調(diào)試和連接同 時按一個線索進(jìn)行，程序錯誤可以較早的發(fā)現(xiàn)。缺點(diǎn)是上一級的程序錯誤將對整個程序產(chǎn) 生影響，一處修改可能引起對整個程序的全面修改。3程序設(shè)計(1)建立數(shù)學(xué)模型：描述出各輸入變量和各輸出變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。(2)繪制程序流程圖：以簡明直觀的方式對任務(wù)進(jìn)行描述。(3)程序的編制：選擇語數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、控制算法、存儲空間分配，系統(tǒng)硬件資源的合理 分配與使用，子程

9、序的入/出口參數(shù)的設(shè)置與傳遞。4軟件裝配各程序模塊編輯之后，需進(jìn)行匯編或編譯、調(diào)試，當(dāng)滿足設(shè)計要求后，將各程序模塊 按照軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求連接起來，即為軟件裝配。在軟件裝配時，應(yīng)注意軟件接口。7.2.4可靠性設(shè)計 可靠性：通常是指在規(guī)定的條件（環(huán)境條件如溫度、濕度、振動，供電條件等）下， 在規(guī)定的時間內(nèi)（平均無故障時間）完成規(guī)定功能的能力。提高單片機(jī)本身的可靠性措施：降低外時鐘頻率，采用時鐘監(jiān)測電路與看門狗技術(shù)、 低電壓復(fù)位、EFT抗干擾技術(shù)、指令設(shè)計上的軟件抗干擾等幾方面。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的主要干擾渠道：空間干擾、過程通道干擾、供電系統(tǒng)干擾。應(yīng)用于 工業(yè)生產(chǎn)過程中的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，應(yīng)重點(diǎn)防止

10、供電系統(tǒng)與過程通道的干擾。1供電系統(tǒng)干擾與抑制 干擾源：電源及輸電線路的內(nèi)阻、分布電容和電感等。 抗干擾措施：采用交流穩(wěn)壓器、電源低通濾波器、帶屏蔽層的隔離變壓器、獨(dú)立的 （或?qū)I(yè)的）直流穩(wěn)壓模塊，交流引線應(yīng)盡量短，主要集成芯片的電源采用去耦電路，增 大輸入/輸出濾波電容等措施 。2過程通道的干擾與抑制 干擾源：長線傳輸。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，從現(xiàn)場信號輸出的開關(guān)信號或從傳感器輸出 的微弱模擬信號，經(jīng)傳輸線送入單片機(jī)，信號在傳輸線上傳輸時，會產(chǎn)生延時、畸變、衰 減及通道干擾?？垢蓴_措施：（1）采用隔離技術(shù)：光電隔離、變壓器隔離、繼電器隔離和布線隔離等。典型的信號 隔離是光電隔離。其優(yōu)點(diǎn)是能有效地抑

11、制尖峰脈沖及各種噪聲干擾，從而使過程通道上的 信噪比大大提高。（2）采用屏蔽措施：金屬盒罩、金屬網(wǎng)狀屏蔽線。但金屬屏蔽本身必須接真正的地 （保護(hù)地）。（3）采用雙絞線傳輸：雙絞線能使各個小環(huán)路的電磁感應(yīng)干抗相互抵消。其特點(diǎn)是波 阻抗高、抗共模噪聲能力強(qiáng)，但頻帶較差。（4）采用長線傳輸?shù)淖杩蛊ヅ洌河兴姆N形式，如下圖所示。降低了高電平的抗干擾能力。b）所示，匹配電阻R的取值為RP與A門輸出低電平的輸出阻抗ROUT（約20 0之差值，其特點(diǎn)是終端的低電平抬高，降低了低電平的抗干擾能力。3終端并聯(lián)隔直流匹配：如圖上頁（c）所示，R=Rp其特點(diǎn)是增加了對高電平的抗干擾能力。4終端接鉗位二極管匹配：如圖上

12、頁（d）所示，利用二極管D把B門輸入端低電平鉗位在0.3V以下。其特點(diǎn)是減少波的反射和振蕩，提高動態(tài)抗干擾能力。注意：長線傳輸時，用電流傳輸代替電壓傳輸，可獲得較好的抗干擾能力。3其他硬件抗干擾措施（1）對信號整形可采用斯密特電路整形。（2）組件空閑輸入端的處理組件空閑輸入端的處理方法如下圖所示。其中，圖（a）所示的方法最簡單，但增加了前級門的負(fù)擔(dān)。圖（b）所示的方法適用于慢速、多干擾的場合。圖（c）禾U用印刷電路板上多余的反相器，讓其輸入端接地，使其輸出去控制工作門不用的輸入端。A o- 110kD匚兀亠”i-&A o=_v- 終端并聯(lián)阻抗匹配：如上頁圖（a）所示，RP= R1/R2，其特點(diǎn)

13、是終端阻值低,始端串聯(lián)匹配：如上頁圖（+5V(b)(d)（3）機(jī)械觸點(diǎn)，接觸器、可控硅的噪聲抑制1開關(guān)、按鈕、繼電器觸點(diǎn)等在操作時應(yīng)采取去抖處理。2在輸入/輸出通道中使用接觸器、繼電器時，應(yīng)在線圈兩端并接噪聲抑制器，繼電 器線圈處要加裝放電二極管。3可控硅兩端并接RC抑制電路，可減小可控硅產(chǎn)生的噪聲。（4）印刷電路板（PCB設(shè)計中的抗干擾問題合理選擇PCB板的層數(shù)，大小要適中，布局、分區(qū)應(yīng)合理，把相互有關(guān)的元件盡量放 得靠近一些。印刷導(dǎo)線的布設(shè)應(yīng)盡量短而寬，盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)噪聲。 導(dǎo)線的布局應(yīng)當(dāng)是均勻的、分開的平行直線，以得到一條具有均勻波阻抗的傳輸通路。應(yīng) 盡可能地減少過孔的

14、數(shù)量。在PCB板的各個關(guān)鍵部位應(yīng)配置去耦電容。 要將強(qiáng)、弱電路嚴(yán)格分開，盡量不要把它們設(shè)計在一塊印刷電路板上。電源線的走向應(yīng)盡量與數(shù)據(jù)傳遞方向 一致，電源線、地線應(yīng)盡量加粗，以減小阻抗。（5） 地線設(shè)計 地線結(jié)構(gòu)大致有保護(hù)地、系統(tǒng)地、機(jī)殼地（屏蔽地）、數(shù)字地、模擬地等。在設(shè)計時，數(shù)字地和模擬地要分開，分別與電源端地線相連；屏蔽線根據(jù)工作頻率可 采用單點(diǎn)接地或多點(diǎn)接地；保護(hù)地的接地是指接大地。不能把接地線與動力線的零線混 淆。此外，應(yīng)提高元器件的可靠性，注意各電路之間的電平匹配，總線驅(qū)動能力要符合要 求，單片機(jī)的空閑端要接地或接電源，或者定義成輸出。室外使用的單片機(jī)系統(tǒng)或從室外 架空引入室內(nèi)的電

15、源線、信號線，要防止雷擊，常用的防雷擊器件有：氣體放電管，TVS（瞬態(tài)電壓抑制器）等。4軟件的抗干擾設(shè)計 常用的軟件抗干擾技術(shù)有軟件陷阱、時間冗余、指令冗余、空間冗余、容錯技術(shù)、設(shè) 置特征標(biāo)志和軟件數(shù)字濾波等。（1）實(shí)時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件抗干擾 采用軟件數(shù)字濾波。常用的方法有以下幾種：1算術(shù)平均值法：對一點(diǎn)數(shù)據(jù)連續(xù)采樣多次（可取35次），以平均值作為該點(diǎn)的 采樣結(jié)果。這種方法可以減少系統(tǒng)的隨機(jī)干擾對采集結(jié)果的影響。2比較舍取法：對每個采樣點(diǎn)連續(xù)采樣幾次，根據(jù)所采樣數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，確定取舍 辦法來剔除偏差數(shù)據(jù)。例如，“采三取二”，即對每個采樣點(diǎn)連續(xù)采樣三次，取兩次相同 數(shù)據(jù)作為采樣結(jié)果。3中值法

16、：對一個采樣點(diǎn)連續(xù)采集多個信號，并對這些采樣值進(jìn)行比較，取中值作為 該點(diǎn)的采樣結(jié)果。4一階遞推數(shù)字濾波法：利用軟件完成RC低通濾波器的算法。其公式為：Yn=QXn+（1Q）Yn1其中：Q數(shù)字濾波器時間常數(shù)；Xn第n次采樣時的濾波器的輸入；Yn1第n1次采樣時的濾波器的輸出。Yn第n次采樣時的濾波器的輸出。注意：選取何種方法必須根據(jù)信號的變化規(guī)律予以確定。 （2）開關(guān)量控制系統(tǒng)的軟件抗干擾 可采取軟件冗余、設(shè)置當(dāng)前輸出狀態(tài)寄存單元、設(shè)置自檢程序等軟件抗干擾措施。5程序運(yùn)行失常的軟件對策程序運(yùn)行失常：當(dāng)系統(tǒng)受到干擾侵害，致使程序計數(shù)器PC值改變，造成程序的無序運(yùn)行，甚至進(jìn)入死循環(huán)。程序運(yùn)行失常的軟

17、件對策：發(fā)現(xiàn)失常狀態(tài)后，及時引導(dǎo)系統(tǒng)恢復(fù)原始狀態(tài)?？刹捎靡?下方法：（1）程序監(jiān)視定時器（Watchdag, WDT技術(shù) 程序監(jiān)視定時器（也稱為“看門狗” ）的作用：通過不斷監(jiān)視程序每周期的運(yùn)行事件 是否超過正常狀態(tài)下所需要的時間,從而判斷程序是否進(jìn)入了“死循環(huán)”,并對進(jìn)入“死 循環(huán)”的程序作出系統(tǒng)復(fù)位處理?！翱撮T狗”技術(shù)：可由硬件、軟件或軟硬結(jié)合實(shí)現(xiàn)。1硬件“看門狗”可以很好地解決主程序陷入死循環(huán)的故障,但是,嚴(yán)重的干擾有時 會出現(xiàn)中斷關(guān)閉故障使系統(tǒng)無法定時“喂狗”,無法探測到這種故障,硬件“看門狗”電 路失效。2軟件“看門狗” 可以保證對中斷關(guān)閉故障的發(fā)現(xiàn)和處理,但若單片機(jī)的死循環(huán)發(fā) 生在

18、某個高優(yōu)先級的中斷服務(wù)程序中,軟件“看門狗”也無法完成其作用。3利用軟硬結(jié)合的“看門狗”組合可以克服單一“看門狗”功能的缺陷,從而實(shí)現(xiàn)對 故障的全方位監(jiān)控。（2）設(shè)置軟件陷阱 軟件陷阱：指將捕獲的“跑飛”程序引向復(fù)位入口地址0000H的指令。 設(shè)置方法：1在EPROM中，非程序區(qū)設(shè)置軟件陷阱，軟件陷阱一般1KB空間有23個就可以進(jìn) 行有效攔截。指令如下：NOPNOPLJMP 0000H2在未使用的中斷服務(wù)程序中設(shè)置軟件陷阱,能及時捕獲錯誤的中斷。指令如下：NOPNOPRETI（3）指令冗余技術(shù)指令冗余：在程序的關(guān)鍵地方人為插入一些單字節(jié)指令，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重寫， 稱為指令冗余。作用：可將“

19、跑飛”程序納入正軌。設(shè)置方法：通常是在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩個字節(jié)以上的NOP這樣即使程序“跑飛”到操作數(shù)上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被當(dāng)做操作數(shù)執(zhí)行，程序自動納入正軌。此外，對系統(tǒng)流向起重要作用的指令（如RET，RETI，LCALL，LJMP, JC等指令）之前也可插入兩條NOP指令，確保這些重要指令的執(zhí)行。7.2.5單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試、測試 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟、硬件制作完成后，必須反復(fù)進(jìn)行調(diào)試、修改，直至完全正常工 作，經(jīng)過測試，功能完全符合系統(tǒng)性能指標(biāo)要求，應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計才算完成。1硬件調(diào)試（1）靜態(tài)檢查根據(jù)硬件電路圖核對元器件的型號、極性、安裝是否正確，檢查

20、硬件電路連線是否與 電路圖一致，有無短路、虛焊等現(xiàn)象。（2）通電檢查通電檢查時，可以模擬各種輸入信號分別送入電路的各有關(guān)部分，觀察I/O口的動作情況，查看電路板上有無元件過熱、冒煙、異味等現(xiàn)象，各相關(guān)設(shè)備的動作是否符合要 求，整個系統(tǒng)的功能是否符合要求。2軟件調(diào)試 程序模塊編寫完成后，通過匯編或編譯后，在開發(fā)系統(tǒng)上進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試時應(yīng)先分別 調(diào)試各模塊子程序，調(diào)試通過后，再調(diào)試中斷服務(wù)子程序，最后調(diào)試主程序，并將各部分 進(jìn)行聯(lián)調(diào)。3系統(tǒng)調(diào)試 當(dāng)硬件和軟件調(diào)試完成之后，就可以進(jìn)行全系統(tǒng)軟、硬件調(diào)試，對于有電氣控制負(fù)載 的系統(tǒng)，應(yīng)先實(shí)驗空載，空載正常后再實(shí)驗負(fù)載情況。系統(tǒng)調(diào)試的任務(wù)是排除軟、硬件中

21、的殘留錯誤，使整個系統(tǒng)能夠完成預(yù)定的工作任務(wù)，達(dá)到要求的性能指標(biāo)。4程序固化系統(tǒng)調(diào)試成功之后，就可以將程序通過專用程序固化器固化到ROM中。5脫機(jī)運(yùn)行調(diào)試將固化好程序的ROM插回到應(yīng)用系統(tǒng)電路板的相應(yīng)位置，即可脫機(jī)運(yùn)行。系統(tǒng)試運(yùn)行要連續(xù)運(yùn)行相當(dāng)長的時間（也稱為考機(jī)），以考驗其穩(wěn)定性。并要進(jìn)一步進(jìn)行修改和完善 處理。6測試單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計完成時，一般需進(jìn)行單片機(jī)軟件功能的測試，上電、掉電測試，老化 測試，靜 電放電 （ElectroStatic Discharge，ESD） 抗擾度 和電快 進(jìn)瞬變 脈沖 群（Electrical Fast Transient,EFT）抗擾度等測

22、試?？梢允褂酶鞣N干擾模擬器來測試單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性，還可以模擬人為使用中可能發(fā)生的破壞情況。經(jīng)過調(diào)試、測試后，若系統(tǒng)完全正常工作，功能完全符合系統(tǒng)性能指標(biāo)要求，則一個 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制過程全部結(jié)束。7.3 C51編程簡介MCS-51的編程語言常用的有兩種，一種是匯編語言，一種是C語言（C51）。匯編語言的特點(diǎn)：機(jī)器代碼生成效率很高，可讀性差，編程難度大。C51的特點(diǎn)：C語言程序本身不依賴于機(jī)器硬件系統(tǒng)，基本上不作修改就可將程序從不 同的單片機(jī)中移植過來。C51提供了很多數(shù)學(xué)函數(shù)并支持浮點(diǎn)運(yùn)算，開發(fā)效率高，程序的 可讀性和可維護(hù)性較好。而且C51還可以嵌入?yún)R編語言來解決高時效性的代碼編寫問題

23、。7.3.1 MCS-51單片機(jī)C51語言簡介1. C51的優(yōu)點(diǎn)C51與ASM-51（匯編語言）相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：1對單片機(jī)的指令系統(tǒng)、硬件不要求了解，僅要求對MCS-51的存儲器結(jié)構(gòu)有初步了解，就能夠編程。2程序有規(guī)范的結(jié)構(gòu)，易于結(jié)構(gòu)化、模塊化和移植，已編好的程序可以很容易地植入 新程序。3寄存器分配、存儲器的尋址及數(shù)據(jù)類型，中斷服務(wù)程序的現(xiàn)場保護(hù)和恢復(fù)，中斷向量表的填寫都由C51編譯器處理。4提供豐富的庫函數(shù)供用戶直接調(diào)用，不同函數(shù)的數(shù)據(jù)實(shí)行覆蓋，有效地利用了片上有限的RAM空間。具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。5C51提供了復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型（數(shù)組、結(jié)構(gòu)、聯(lián)合、枚舉、指針等），極大地增強(qiáng)了 程序處理

24、能力和靈活性；提供auto，extern，static，const等存儲類型和專門針對MCS- 51單片機(jī)的data，bdata，idata，pdata，xdata，code等存儲類型，自動為變量合理地 分配地址；提供small，compact，large等編譯模式，以適應(yīng)片上存儲器的大?。煌暾?編譯控制指令為程序調(diào)試提供必要的符號信息。6頭文件中允許定義宏、說明復(fù)雜數(shù)據(jù)類型和函數(shù)原型，有利于程序的移植和支持單 片機(jī)的系列化產(chǎn)品的開發(fā)。7可方便地接受多種實(shí)用程序的服務(wù)，有專門的實(shí)用程序自動生成；有實(shí)時多任務(wù)操 作系統(tǒng)，可調(diào)度多道任務(wù)，簡化用戶編程，提高運(yùn)行的安全性等。2.單片機(jī)C51語言與C

25、語言的異同單片機(jī)的C51是繼承了標(biāo)準(zhǔn)C的絕大部分的特性，基本語法相同，但其本身在特定的硬件結(jié)構(gòu)上又有所擴(kuò)展（如專門針對MCS-51單片機(jī)的存儲類型等 ），需要在C51的實(shí)際編程應(yīng)用過程中逐步體會。732 C51的基本語法1. C51的程序結(jié)構(gòu)與一般C語言的結(jié)構(gòu)相同，以main（）函數(shù)為程序入口，程序體中包含若干語句，還可以包含若干函數(shù)。2. C51的數(shù)據(jù)類型常用的數(shù)據(jù)類型有：位型（bit，1位）、字符型（char，1字節(jié)）、整型（int，2字 節(jié)）、長整型（long int，4字節(jié)）、浮點(diǎn)型（float，4字節(jié)）、數(shù)組型、指針型等。3. C51數(shù)據(jù)的存儲類型C51數(shù)據(jù)的存儲類型如下表所示。存補(bǔ)

26、空問位置，宜壊尋址出內(nèi) RAM,0-255.1bdsti n可恤尋恥片內(nèi) RAM*O/l.iidta i間接尋就肖內(nèi) RAM 8 也0-255.1片外 RAM/.1 他DF5 5 站 *4. C51包含的頭文件C51包含的頭文件通常有reg51.h，math.h，ctype.h，stdio.h，stdlib.h，absacc.h。其中，常用的有reg51.h（定義特殊功能寄存器和位寄存器）和math.h（定義 常用數(shù)學(xué)運(yùn)算）。5. C51的運(yùn)算符C51的運(yùn)算符與C語言基本相同：+（加）、-（減）、*（乘）、/（除）、（大于）、=（大于等于）、（小于）、（位右移）、（位左移）、&（按位與）、|（

27、按位或）、A（按位異或）、（按位取反）。6. C51的基本語句C51的基本語句與標(biāo)準(zhǔn)C語言基本相同：if（選擇語句）、switch/case（多分支選擇 語句）、while（循環(huán)語句）、for（循環(huán)語句）、do-while（循環(huán)語句）等。7.3.3 C51編譯器Fran klin C51交叉編譯器是專為80C51系列單片機(jī)設(shè)計的一種高效的C語言編譯器，使用它可以縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，而且開發(fā)出的系統(tǒng)易于維護(hù)，可靠性高，可移 植性好，代碼的使用效率高。1. C51語言程序設(shè)計的基本技巧（1）采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計（2）采用模塊化程序設(shè)計，分別指定個功能模塊相應(yīng)的入口參數(shù)和出口參數(shù)，而經(jīng)常 使用

28、的一些程序最好編成函數(shù)。（3）充分利用C51語言的預(yù)處理命令。（4）采用宏定義“define”（或集中起來）將一些常用的常數(shù)、各種特殊功能寄存 器或程序中一些重要的、依據(jù)外界條件可變的常量放在一個頭文件中進(jìn)行定義，然后采用 文件包含命令“#include”將其加入到程序中去，便于修改，有利于文件的維護(hù)和更新。2. C51語言與匯編語言程序的混合編程 有時為了編程直觀或某些特殊地址的處理，C51程序中還須采用一些匯編語言編程。 而在另一些場合，出于某種目的，匯編語言也可調(diào)用C語言。在這種混合編程中，關(guān)鍵是 參數(shù)的傳遞和函數(shù)的返回值。它們必須有完整的約定，否則數(shù)據(jù)的交換就可能出錯。3. C51中斷

29、處理過程C51編譯器支持在C源程序中直接開發(fā)中斷，中斷服務(wù)函數(shù)的完整語法如下：void函數(shù)名（void）模式再入interrupt n using r其中：n（031）-代表中斷號；r（03）-代表第r組寄存器；再入說明中斷處理函數(shù)有無“再入”能力。7.3.4 Keil C51開發(fā)系統(tǒng)簡介1.系統(tǒng)概述Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系 統(tǒng)。其特點(diǎn)是提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面；生成的目標(biāo)代碼效率非常高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時 更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。2. Keil

30、C51單片機(jī)軟件開發(fā)系統(tǒng)的功能Keil C51單片機(jī)軟件開發(fā)系統(tǒng)可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個開發(fā)流 程。開發(fā)人員可用集成開發(fā)環(huán)境IDE本身或其他編輯器編輯C或匯編源文件。然后分別由C51及A51編譯器編譯生成目標(biāo)文件（.OBJ） 。目標(biāo)文件可由L51創(chuàng)建生成庫文件，也可 以與庫文件一起，經(jīng)L51連接定位，生成絕對目標(biāo)文件（.ABS）。（5）RTX51是一個實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)，可以不用main（）函數(shù)，是單片機(jī)系統(tǒng)軟件向RTOS發(fā)展是一種趨勢。（6）dScope51是一個源級調(diào)試器和模擬器，它可以調(diào)試由C51編譯器、A51匯編器、PL/M-51編譯器及ASM51匯編器產(chǎn)生的程序。它

31、不需目標(biāo)板，只能進(jìn)行軟件模擬，但其功能強(qiáng)大，可模擬CPU及其外圍器件，能對嵌入式軟件功能進(jìn)行有效測試。（7）Initfile為一個初始化文件，它在啟動dScope51后，在debugfile之前裝入，裝有一些dScope的初始化參數(shù)及常用調(diào)試函數(shù)等。（8）tScope51也為一個初始化文件，與dScope51不同的是，tScope51必須帶目標(biāo) 板，目前它可以通過兩種方式訪問目標(biāo)板。 通 過EMul51在 線 仿 真 器 ，tScope51為 該 仿 真 器 準(zhǔn) 備 了 一 個 動 態(tài) 連 接 文 件EMUL51.I0T,但該方法必須配合該仿真器。 通過Monitov51監(jiān)控程序。tScope

32、51為訪問Monitor51，專門帶有 程序，使用時可通過串口及監(jiān)控程序來調(diào)試目標(biāo)板。（9）Monitor 51是一個監(jiān)控程序，通過PC的串口與目標(biāo)板進(jìn)行通信,需要MON5或dScope51 for Windows。（10）Ishell for DOS是一個DOS環(huán)境下的IDE，直接在命令行輸入該環(huán)境。它使用簡單方便，其命令行與DOS命令行具有同樣的功能。1）Keil C51擴(kuò)展關(guān)鍵字C51 V4.0的擴(kuò)展關(guān)鍵字如下（共19個）：at idata sfr16 alien interrupt small bdata largetask code bit pdata using reentrant

33、 xdatacompact sbit data sfr（2）內(nèi)存區(qū)域（Memory Areas）1由code說明可有多達(dá)64KB的程序存儲器。2內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器可用以下關(guān)鍵字說明：data:直接尋址區(qū)，為內(nèi)部RAM的低128字節(jié)00H7FH;idata:間接尋址區(qū)，包括整個內(nèi)部RAM區(qū)00HFFH;bdata:可位尋址區(qū)，20H2FH。3外部RAM視使用情況可由以下關(guān)鍵字標(biāo)志：xdata:可指定多達(dá)64KB的外部直接尋址區(qū)，地址范圍0000H0FFFFH;M0N51.I0T連接Monitor操作Ishell，則進(jìn)入1 1)uVision for Windows是一個標(biāo)準(zhǔn)的Windows應(yīng)用程序，

34、它是C51的一個集成軟件開發(fā)平臺，具有源代碼編輯、Project管理、集它的人機(jī)界面友好，操作方便，是開發(fā)者的首選。3. Keil C51與標(biāo)準(zhǔn)C對標(biāo)準(zhǔn)C的擴(kuò)展是學(xué)習(xí)C51的關(guān)鍵之一。C51直接針對8051系列CPU對標(biāo)準(zhǔn)C的擴(kuò)展包括8051存儲類型及存儲區(qū)域、存儲模式、存儲器類型聲明、變量類型聲明、位變量與位尋址、特殊功能寄存器（SFR）、C51指針、函數(shù)屬性等8類。TR0=1/*啟動T0*/pdata:能訪問1頁（256字節(jié)）的外部RAM主要用于緊湊模式（Compact Model）。48051提供128字節(jié)的SFR尋址區(qū)，可由以下幾種關(guān)鍵字說明：sfr:字節(jié)尋址，如sfr P0=0 x8

35、0，指出P0口地址為80H，“=”后為00HFFH之間的常數(shù)。sfr16：字尋址，如sfr16 T2=0 xCC，指定T2口地址為TL2=0 xCCH，TH2=0 xCDH。sbit:位尋址，如sbit EA=OxAF，指定第OxAFH位為EA,即中斷允許。還可以有如下定義方法:sbit OV=PSWA2（定義OV為PSW勺第2位）sbit OV=OxDoA2（同上）或bit OV=OxDo2（同上）。7.3.5 C51應(yīng)用舉例例題設(shè)單片機(jī)的fOSC=12MHz要求用TO的方式1編程，在P1.0引腳輸出周期為2ms的方波。解：用C語言編寫的中斷服務(wù)程序如下：#includesbit P1_0=

36、P1A0。void timer0(void)interrupt 1 using 1/*T0中斷服務(wù)程序入口*/P1_0=!P1_0。TH0=-(1000/256)。/*計數(shù)初值重裝*/TL0=-(1000%256)。void main(void)P1_0=0。TH0=-(1000/256)。/*預(yù)置計數(shù)初值*/TL0=-(1000%256)。EA=1。/*CPU開中斷*/ET0=1。/*T0開中斷*/TMOD=0 x01/*T0工作在定時器方式1*/dowhile(1)注意：在編寫中斷服務(wù)程序時必須注意不能進(jìn)行參數(shù)傳遞，不能有返回值。例題拆字程序。將2000H的內(nèi)容拆開，高位送2001H低位，

37、低位送2002H低位。解：匯編語言程序如下：ORG 1000HSE02:MOV DPTR, #2000HMOVX A, DPTR MOV B, ASWAP AANL A, #0FHINC DPTRMOVX DPTR, AINC DPTRMOV A, BANL A, #0FH MOVXDPTR, A SJMP $ENDC51程序如下：#include main( )unsigned char xdata *p=0 x2000/* 2002H單元高*(p+2)=(*p)&0 x0f/* 2001H單元高*(p+1)=(*p)47.4單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)舉例7.4.1單片機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 單片機(jī)的一個

38、廣泛應(yīng)用領(lǐng)域就是控制系統(tǒng)。1設(shè)計思想通過傳感電路不斷循環(huán)檢測室內(nèi)溫度、濕度、有害氣體(如煤氣)濃度等環(huán)境參數(shù)， 然后與由控制鍵盤預(yù)置的參數(shù)臨界值相比較，從而作出開（濕）等判斷，再結(jié)合窗狀態(tài)檢測電路所檢測到的窗狀態(tài)，發(fā)出一系列的控制命令，完成下雨則自動關(guān)窗、室內(nèi)有害氣體超標(biāo)則自動開窗、開/啟換氣扇、恒溫（濕）等自動控制功能。用戶還可通過控制鍵盤，直接控制窗戶的開/關(guān)、換氣扇的啟/停、溫（濕）度的升/降，選擇所顯示參數(shù)的種類等。(2000H) L B。 交換。 屏蔽高位。 送2001H。(2000H)內(nèi)容屏蔽高位。 送2002H。/*指針指向2000H單元*/4位裝2000H單元低4位*/4位裝2

39、000H單元高4位*/4位清零，低。4位清零，低/關(guān)窗、啟/停換氣扇、升/降溫2系統(tǒng)組成和部分電路設(shè)計控制系統(tǒng)主要由控制器、數(shù)據(jù)檢測傳感電路、A/D轉(zhuǎn)換器、窗驅(qū)動控制接口電路、窗驅(qū)動電路等組成。其系統(tǒng)原理圖如下圖所示?？刂破鞑捎妹绹鳤tmel公司的AT89C51單片機(jī)。利用89C51的P0口采集數(shù)據(jù)，完成控 制信息的采集和控制功能。利用P1.0P1.3作為窗狀態(tài)檢測端口，完成對窗狀態(tài)（即窗是否移到邊框）的檢測。數(shù)據(jù)檢測傳感電路由溫度傳感電路、濕度傳感電路、有害氣體傳感電路、紅外防盜傳 感器四個部分組成。在此只以溫度傳感電路為例進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)溫度檢測的要求，溫度的檢測選用集成溫度傳感器AD590

40、（測溫范圍為一55C+150C）。測量電路如下圖所示。GND統(tǒng)中有4路模擬輸入，A/D轉(zhuǎn)換器選用了ADC0809AD590R Ho 4-5 V2.2kl)50kQIZZh50k1Jun?Jun*-jon-j8B. I 0. I B.IPIir.EIIIHINIMN-D11liekBrK=-r%iAJ.ICTiWi!v&r：疋:丁孑畑tic!応就l.l1.10?LHH拌或El C；灼巨一?。簊-ins h卻口3THTH !lI林*1, 啊申和1| 雷l嬴 r9A點(diǎn)電壓與溫度的關(guān)系為:(5)制冷壓縮機(jī)和除霜電熱絲啟動、停止控制電路= 1.215 +0.047：其電路如下頁圖所示，加熱絲和壓縮機(jī)的工

41、作原理如下：80C51單片機(jī)控制信號經(jīng)P1.3和P1.4端口輸出，并通過P1.7的控制，將信號鎖存在74LS273中，74LS273的輸出經(jīng)過達(dá)林頓驅(qū)動器DS2003后，驅(qū)動固態(tài)繼電器RELAY1和RELAY2當(dāng)DS2003的16腳有高電平輸出時，RELAY1的3，4腳接通，使加熱絲接通電源，開始除霜。當(dāng)DS2003的15腳輸出高電平時，RELAY2的3，4腳接通，使壓縮機(jī)繞組 接通電源而啟動，開始制冷。74LS273的鎖存控制信號，一方面增加輸出功率，另一方面也防止單片機(jī)復(fù)位時引起控制的誤動作。熱敏電阻Rt的阻值和溫度的關(guān)系為：A點(diǎn)電壓與溫度的關(guān)系為:(5)制冷壓縮機(jī)和除霜電熱絲啟動、停止控

42、制電路其電路如下頁圖所示，加熱絲和壓縮機(jī)的工作原理如下：80C51單片機(jī)控制信號經(jīng)P1.3和P1.4端口輸出，并通過P1.7的控制，將信號鎖存在74LS273中，74LS273的輸出經(jīng)過達(dá)林頓驅(qū)動器DS2003后，驅(qū)動固態(tài)繼電器RELAY1和RELAY2當(dāng)DS2003的16腳有高電平輸出時，RELAY1的3，4腳接通，使加熱絲接通電源，開始除霜。當(dāng)DS2003的15腳輸出高電平時，RELAY2的3，4腳接通，使壓縮機(jī)繞組 接通電源而啟動，開始制冷。74LS273的鎖存控制信號，一方面增加輸出功率，另一方面也防止單片機(jī)復(fù)位時引起控制的誤動作。3軟件設(shè)計= 1.215 +0.047：DIODETO

43、中斷服務(wù)程序和定時器T1中電冰箱控制程序主要分為三大部分：主程序、定時器斷服務(wù)程序。(1)主程序主程序是整個電冰箱的總控制程序，主要實(shí)現(xiàn)控制各單元初始化、控制中斷、定時、 顯示、鍵盤程序的啟動與重復(fù)等功能。主程序的程序流程圖如下圖所示。(2)TO中斷服務(wù)程序TO中斷服務(wù)程序主要完成電源欠壓、過壓處理，開門狀態(tài)檢查，以及處理等功能。其程序流程圖如下圖所示。調(diào)用鍵盤分析于程序根據(jù)標(biāo)志位調(diào)用相應(yīng)YY探護(hù)現(xiàn)場3分鐘延時計時并處理(3)TI中斷服務(wù)程序TI工作于計數(shù)方式，用于制冷壓縮機(jī)停機(jī)后自動延時TI的中斷服務(wù)程序主要完成3分鐘定時，以及溫度、除霜、速凍等各種檢測，根據(jù)檢測結(jié)果，比較、分析得出執(zhí)行元器

44、件工作的狀態(tài)，并控制對應(yīng)的元器件工作。TI中斷服務(wù)程序中斷計時到1S?過/欠壓否？過/欠壓處理1開處理3分鐘才能再啟動的時間延時。送時間常數(shù)門開沓7N求溫度均值流程圖如下圖所示。設(shè)計要求：利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的自行車?yán)锍?速度計能自動顯示自行車行駛的總里程數(shù)及自行車行駛速度，具有超速信號提醒功能，里程數(shù)據(jù)自動記憶。也可應(yīng)用于電動自行車、摩托車、汽車等機(jī)動車儀表上。1總體設(shè)計控制器采用AT89C52單片機(jī)，速度及里程傳感器采用霍爾元件，顯示器通過AT89C52的P0口和P2口擴(kuò)展。外部存儲器采用E2PR0M存儲器AT24C01,用于存儲里程和速度等數(shù)據(jù)。并用控制器來控制里程/速度指示燈，里程指示燈亮?xí)r

45、，顯示里程；速度指示燈亮?xí)r， 顯示速度。超速報警采用揚(yáng)聲器，用一個發(fā)光二極管來配合揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器響時，二極管 亮，表明超速。2.硬件電路設(shè)計電路原理圖如下頁圖所示。P0口和P2口用于七段LED顯示器的段碼及掃描輸出。在顯示里程時，第三位小數(shù)點(diǎn)用P3.7口（）控制點(diǎn)亮。P1.0口和P1.1口分別用于顯示里程狀態(tài)和速度狀態(tài)。P1.2，P1.3，P1.6和P1.7口分別用于設(shè)置輪圈的大小。P3.0口的開關(guān)用于確定顯示的方式。當(dāng)開關(guān)閉合時，顯示速度；斷開時，顯示里程。外中斷用于對輪子 圈數(shù)的計數(shù)輸入，輪子每轉(zhuǎn)一圈，霍爾傳感器輸出一個低電平脈沖。外中斷用于控制定時 器T1的啟停，當(dāng)輸入為0時關(guān)閉定時器。

46、此控制信號是將輪子圈數(shù)的計數(shù)脈沖經(jīng)二分頻后 形成，這樣，每次定時器T1的開啟時間正好為輪子轉(zhuǎn)一圈的時間， 根據(jù)輪子的周長就可以計算出自動車的速度。P1.4口和P1.5口用于E2PR0M存儲器24C01的存取控制。11腳（TXD輸出用于速度超速時的報警。743單片機(jī)在里程、速度計量中的應(yīng)用驚護(hù)現(xiàn)坊中斷趙回3.軟件設(shè)計軟件主要包括：主程序、初始化程序、里程計數(shù)子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、計數(shù)器中 斷服務(wù)程序、E2PR0M存取程序、顯示子程序。（1）主程序根據(jù)P0口的開關(guān)狀態(tài)切換顯示狀態(tài)，即選擇里程顯示和速度顯示。其流程圖如下圖所示。程序如下：ORG0000H0013HLJMP START。 跳至主程序

47、ORG 0003H。外中斷0中斷程序入口LJMP INTEX0。跳至INTEX0中斷服務(wù)程序ORG 000BH。定時器T0中斷程序入口RETT1中斷返回外中斷1中斷入口ORGLJMP INTEX1。跳至INTEX1中斷服務(wù)程序ORG 001BH。定時器T1中斷程序入口LJMP INTT1。跳至INTT1中斷服務(wù)程序ORG 0023H。串口中斷入口地址RET1。中斷返回ORG 002BH。定時器T2中斷入口地址RET1。中斷返回ORG0050HSTART: LCALL CLEARMEN。上電初始化START1: JB P0.4, DISPLAYS。P0.4=1，則顯示里程LCALL DISPLA

48、YV。P0.4=0，顯示速度START2: SJMP START。轉(zhuǎn)START循環(huán)(2)初始化程序初始化程序主要功能是將T1設(shè)為外部控制定時器方式，外中斷及；設(shè)為邊沿觸發(fā)方式，將部分內(nèi)存單元清0,設(shè)置車輪周長值，開中斷、啟動定時器，將AT24C01中的數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存中，設(shè)置車輪圈出錯處理程序。程序如下：CLEARMENMOVTMOD, #90。T1為16位外部控制定時器MOVSP, #75H。堆棧在75H開始SETBPX0。外中斷0優(yōu)先級為1SETBIT0。外中斷0用邊沿觸發(fā)SETBIT1。外中斷1用邊沿觸發(fā)MOVA, #00H。清AMOV20H, A。 清內(nèi)存中特定單兀MOV6CH, AMOV6DH, AMOV70H, AMOV71H, AMOV72H, AMOV73H, AMOV60H, AMOV61H, AMOV62H, AMOV63H, A。 清內(nèi)存中特定單兀。子程序返回關(guān)